基于超弹性双连续网络灵活调控复合材料导热性能

导热高分子复合材料因其良好的综合特性，而在能源化工、通讯卫星、高速飞行器及人工智能等领域的热控系统发挥重要作用。近年来，国内外研究人员通过模板法、自组装法、化学气相沉积等方法预制三维连续导热网络，结合高分子基体的浸渍和固化制备了一系列高导热高分子复合材料。这些研究丰富了三维连续导热网络结构体系，推动了导热高分子复合材料的快速发展。

研究表明，一方面，导热网络的构建能够促进声子在整个网络的高效传递、提升复合材料的导热性能；另一方面，声子作为热流的载体，其传递路径的密度和分布也是决定导热网络热流传输能力的关键，进而深刻影响复合材料的三维导热性能。因此，发展新型高导热高分子复合材料，不仅需要搭建导热网络，更重要的是要研究和实现对三维连续导热网络的精准、可控调节，进而可控调节和改善复合材料的三维导热性能。

近日，天津理工大学陈莉教授团队与天津大学封伟教授团队合作，通过石墨烯在密胺网络的组装构建了超弹性石墨烯@密胺双连续三维网络，结合高分子基体的浸渍与固化制备高导热复合材料。在固化过程中，借助三维压缩模具，通过控制双连续网络的压缩率和压缩维度对石墨烯导热网络的取向度和质量含量进行精准控制。对于单向压缩复合材料，当压缩率大于70%时，复合材料的水平导热系数迅速提高，当压缩率为95%时，复合材料中石墨烯的含量达到2.6 wt%，复合材料的水平导热系数达到1.68 W/mK，是未压缩样品导热系数（0.175 W/mK）的近10倍。对于三向压缩复合材料，复合材料导热系数呈现各向同性，当三向压缩率为70%时，复合材料中石墨烯的含量为4.82 wt%，复合材料的导热系数达到2.19 W/mK。

图(a)石墨烯@聚合物双连续导热网络增强高分子复合材料制备流程；图(b)导热网络结构调控示意图；图(c-e)分别为密胺网络、氧化石墨烯@密胺网络及石墨烯@密胺网络的微观结构照片 

结合实验结果及有限元模型分析可知，三维连续网络增强高分子复合材料中的导热过程可分为两个阶段，分别是热流在高分子基体的缓慢传输和在导热网络的快速传导。当导热网络的密度较小时，高分子基体中远离导热网络的区域会出现热量集中，热量难以快速扩散至导热网络，导热网络对复合材料导热性能的提升有限。当导热网络的密度提高时，导热网络能够对复合材料的导热性能发挥较大作用。因此，在导热填料含量一定的情况下，保障导热填料的连续性的同时提高填料的分布密度对复合材料导热性能的提升至关重要。柔性密胺网络为石墨烯提供三维连续模板，石墨烯赋予密胺网络高导热性能，这种双连续网络能够在保证导热网络连续性的基础上可控调节其网络结构，进而能够灵活调控复合材料的导热性能。将导热复合材料薄片内嵌温度传感器，并集成于机器人手指，其对冷热交替具有良好的感知能力。

该成果发表于Advanced Functional Materials期刊。论文第一作者为天津理工大学青年学者秦盟盟。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.201805053